專(zhuān)利名稱(chēng)：人體下頜骨生物力學(xué)模型的制作方法
專(zhuān)利說(shuō)明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及口腔頜面外科學(xué)中的一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。特別是涉及一種功能狀態(tài)下的人體下頜骨的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br> 在以往的下頜骨力學(xué)模型中，常常忽略了關(guān)節(jié)盤(pán)的存在。但是因?yàn)轺翣钔皇菓?yīng)力集中的區(qū)域，因此模型中關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。
下頜骨在進(jìn)行咀嚼功能活動(dòng)時(shí)，主要受到升頜肌群的力量，它們主要來(lái)自咬肌、顳肌、翼內(nèi)肌和翼外肌。從Champy M開(kāi)始(Champy M，Wilk A，Schnebelen JM.Treatment of mandibular fractures osteosythesis without intermaxillary by means ofimmobilization according to F.X.Michelet’s technic.Zahn Mund Kieferheiked Zentrallo.1975，63339-441)，到近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在下頜骨生物力學(xué)研究中，建立的下頜骨機(jī)械力學(xué)模型大多采用簡(jiǎn)化加力的方法，主要包括咬合加力及單一的下頜角區(qū)域加力(B.H.Choi，J.H.Yoo，K.N.KimStability testing of a two miniplate fixation technique formandibular angle fractures.An in vitro study.Journal of Cranio-facial Surgery(1995)23，122-125)或喙突區(qū)域加力(Frans H.M.Kroon，Mark Mathisson，Jacques R.CurdeyThe useof miniplate in mandibular fractures.Cranio-Max-Fac，Surg.19(1991)199-204)，相當(dāng)于咬肌或顳肌的作用。而下頜骨在行使正常功能運(yùn)動(dòng)時(shí)，翼內(nèi)肌和翼外肌也發(fā)揮著很大的作用。雖然它們的肌力不如咬肌和顳肌那么強(qiáng)大，但是它們的作用方向及附著部位與咬肌和顳肌完全不同。因此在這樣復(fù)雜的受力情況下，建立準(zhǔn)確、客觀和完整的功能狀態(tài)下的下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，是下頜骨生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)。同時(shí)，下頜骨的生物力學(xué)研究對(duì)頜面部創(chuàng)傷，頜面部牙畸形等領(lǐng)域的致病機(jī)制，診療方法，及預(yù)后評(píng)價(jià)具有重要的實(shí)踐意義。
目前，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究中，多采用計(jì)算機(jī)條件下的下頜骨數(shù)學(xué)模型，即二維或三維有限元模型。例如中華口腔醫(yī)學(xué)雜志[1995.03.25；30(2)95-98]，口腔頜面外科雜志[1995.02.15；5(1)23-26]。但是由于下頜骨由密質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成，而非均質(zhì)材料，這一點(diǎn)在計(jì)算機(jī)上很難模擬。數(shù)學(xué)模型的應(yīng)力計(jì)算雖然非常精確，但是不同的下頜骨外形，咬合狀態(tài)，加載條件，及不同的病理狀態(tài)(如骨折)的模型均需單獨(dú)建模，且工作量非常大。
本實(shí)用新型采用真實(shí)下頜骨及其對(duì)應(yīng)并相匹配的上頜模型，顳下頜關(guān)節(jié)模型，通過(guò)模擬咬合平臺(tái)及選擇四組咀嚼肌同時(shí)加載來(lái)實(shí)現(xiàn)其目的。
本實(shí)用新型功能狀態(tài)下的人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包括下頜骨、上頜模型、加載肌力和加載裝置，其特征是下頜骨采用真實(shí)有牙的成人干燥下頜骨，建立有與下頜骨相對(duì)應(yīng)的顳下頜關(guān)節(jié)模型，選擇下頜3個(gè)部位的咬合，分別模擬前牙及雙側(cè)后牙的咬合狀態(tài)以模擬咬合平臺(tái)，下頜骨上選擇的加載肌力為與閉口及咬合運(yùn)動(dòng)有關(guān)的左右側(cè)各四組咀嚼肌共八個(gè)肌向量，四組咀嚼肌分別是咬肌(M)、翼內(nèi)肌(MP)、顳肌(T)和翼外肌(LP)，并在四組肌肉的附著中心點(diǎn)同時(shí)加載。
上述的下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑸项M模型的建立。將實(shí)驗(yàn)所用真實(shí)成人干燥下頜骨對(duì)應(yīng)的上頜及部分顱骨添倒凹后取印模，用自凝塑膠制模，以保證模型的上頜的驗(yàn)接觸面及關(guān)節(jié)窩部分與真實(shí)完全相同，從而得到用自凝塑膠制作的與下頜骨所對(duì)應(yīng)的上頜模型。
顳下頜關(guān)節(jié)模型的制備。將硅橡膠灌入關(guān)節(jié)窩并包繞髁突頭至髁突頸，來(lái)模擬關(guān)節(jié)盤(pán)、髁突軟骨、關(guān)節(jié)囊等結(jié)構(gòu)，從而得到用硅橡膠制作的顳下頜關(guān)節(jié)模型。
咬合平臺(tái)的建立。選擇下頜共3個(gè)部位的咬合，分別模擬前牙、右側(cè)后牙、左側(cè)后牙的咬合狀態(tài)，使其驗(yàn)力通過(guò)該咬合平臺(tái)相傳遞。
肌肉的加載最大咀嚼肌力的確定。
最大咀嚼肌力的大小由如下公式計(jì)算得出Fi，max＝P·Ai其中，P——內(nèi)在強(qiáng)度系數(shù)，(P＝0.37×106NM-2)；Ai——為第i塊咀嚼肌的生理橫截面積；Fi——為第i塊咀嚼肌的最大肌力。
本實(shí)用新型中采用的咬肌(M)、翼內(nèi)肌(MP)、顳肌(T)和翼外肌(LP)生理橫截面積及肌力向量參考Weijs和Van spronsen等人的研究，如表1-1。
表1-1 咀嚼肌的橫截面積及肌力橫截面積(CM2)肌肉 Weijs Van Spronsen 肌力(N)咬肌(M)5.33 4.75180翼內(nèi)肌(MP) 3.70 3.20130顳肌(T)5.21 5.15190翼外肌(LP) 1.21 1.1240肌力加載的方向。
肌力的方向根據(jù)各肌肉在功能狀態(tài)下的收縮方向確定，咬肌(M)附著于下頜角區(qū)域外側(cè)骨板，向上，向前；翼內(nèi)肌(MP)附著于下頜角區(qū)域內(nèi)側(cè)骨板，向上，向內(nèi)；顳肌(T)附著于喙突區(qū)域，向上；翼外肌(LP)附著于髁突頸，向前。
肌力加載方式。
對(duì)四組咀嚼肌分別于肌肉附著中心點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行加載，加載裝置由支架、滑輪機(jī)構(gòu)和砝碼組成，下頜骨、上頜模型、顳下頜關(guān)節(jié)模型的組合體固定在支架上，滑輪機(jī)構(gòu)的數(shù)量與下頜骨上所選擇的加載肌力的數(shù)量相匹配，其滑輪主體安裝在支架上，其拉索的一端與下頜骨上肌肉加載點(diǎn)連接，另一端放置砝碼。
本實(shí)用新型人體下頜骨生物力學(xué)模型具有如下特點(diǎn)
1、本實(shí)用新型首次利用機(jī)械力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅容^真實(shí)地模擬了功能狀態(tài)下的下頜骨的受力情況，為下頜骨在各種生理和病理狀態(tài)下的生物力學(xué)的研究創(chuàng)造了條件。
2、本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谡鎸?shí)成人干燥下頜骨上模擬了顳下頜關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及咬肌、翼內(nèi)肌、顳肌、翼外肌四組咀嚼肌作用，克服了以往實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化加載建模的缺陷。
3、本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕ⅲ瑢?shí)現(xiàn)了從理論到實(shí)踐的過(guò)渡，可以將下頜骨的應(yīng)力狀態(tài)很直觀、客觀地反映出來(lái)，在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一系列關(guān)于下頜骨骨折及堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的實(shí)驗(yàn)研究必將為臨床診治提供有益的指導(dǎo)。
圖2是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊Ш喜课坏氖疽鈭D。
圖3是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募×虞d點(diǎn)及方向的示意圖。
實(shí)施例本實(shí)用新型的一種人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如附圖
所示。
本模型下頜骨1采用真實(shí)有牙的成人干燥下頜骨。
下頜骨機(jī)械性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難從活體標(biāo)本中獲得，離體骨組織是獲得數(shù)據(jù)的主要標(biāo)本。然而，試驗(yàn)受到標(biāo)本強(qiáng)度、性別、年齡、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)條件等多種因素的影響，所得數(shù)據(jù)有一定差別。Graing報(bào)告下頜骨的彈性模量13.6GPa，陳新民等采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)測(cè)定了三種不同狀態(tài)骨沿長(zhǎng)軸方向拉伸性能，結(jié)果為新鮮骨彈性模量12.58GPa，泊松比0.2；干燥骨彈性模量13.97GPa，泊松比0.23。因此我們認(rèn)為干燥下頜骨與新鮮下頜骨的彈性模量與泊松比相近，且其外形基本一致。因此本模型用干燥下頜骨來(lái)替代。
本模型中上頜模型采用與所用真實(shí)成人干燥下頜骨相匹配的上頜及部分顱骨，進(jìn)行添倒凹后取印模，用自凝塑膠制模，以保證模型的上頜接觸面及關(guān)節(jié)窩部分與真實(shí)的完全相同，從而得到與下頜骨所對(duì)應(yīng)的上頜模型2。
顳下頜關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)盤(pán)、髁突軟骨及關(guān)節(jié)囊等結(jié)構(gòu)。顳下頜關(guān)節(jié)模型3的制備是將平均厚度約為2毫米厚的硅橡膠灌入關(guān)節(jié)窩并包繞髁突頭至髁突頸，以模擬關(guān)節(jié)盤(pán)、髁突軟骨及關(guān)節(jié)囊等結(jié)構(gòu)，從而得到硅橡膠模擬的與下頜骨相匹配的顳下頜關(guān)節(jié)模型3。
本模型中，咬合平臺(tái)4的咬合部位如圖2所示，選擇下頜共3個(gè)部位的咬合，它們是下頜雙側(cè)中、側(cè)切牙C1、C2和D1、D2，右側(cè)第一、第二磨牙C6和C7，左側(cè)第一、第二磨牙D6和D7的咬合，分別模擬前牙、右側(cè)后牙、左側(cè)后牙的咬合狀態(tài)，使其力通過(guò)咬合平臺(tái)相傳遞。
本模型中，對(duì)四組咀嚼肌肉咬肌(M)、翼內(nèi)肌(MP)、顳肌(T)和翼外肌(LP)同時(shí)進(jìn)行加載。而咀嚼肌的最大肌力根據(jù)肌肉的橫截面積由已有的數(shù)據(jù)和公式計(jì)算得到，見(jiàn)表1-1。咀嚼肌的肌力加載點(diǎn)和方向如圖3所示。咬肌(M)附著于下頜角區(qū)域外側(cè)骨板，向上，向前；翼內(nèi)肌(MP)附著于下頜骨區(qū)域內(nèi)側(cè)骨板，向上，向內(nèi)；顳肌(T)附著于喙突區(qū)域，向上；翼外肌(LP)附著于髁突頸，向前。
本模型中，肌力加載的具體操作是，將下頜骨1、上頜模型2、顳下頜關(guān)節(jié)模型3的組合體固定在裝置中支架8上，滑輪機(jī)構(gòu)6安裝在支架8上，在各肌肉附著中心加載點(diǎn)5通過(guò)鋼絲穿過(guò)骨質(zhì)制成掛鉤，并通過(guò)絲線(xiàn)使用砝碼7通過(guò)滑輪機(jī)構(gòu)6進(jìn)行加載，使用時(shí)，滑輪主體安裝在支架上，其拉索的一端與肌肉附著中心點(diǎn)的掛鉤連接，另一端放置砝碼，各砝碼重量與對(duì)應(yīng)的肌肉的肌力相匹配，咬肌(M)、翼內(nèi)肌(MP)、顳肌(T)和翼外肌(LP)使用砝碼7通過(guò)滑輪機(jī)構(gòu)6同時(shí)進(jìn)行加載。本模型中的四組肌力亦可使用彈簧秤直接加載，將彈簧秤一端與肌肉加載點(diǎn)連接，另一端用拉索拉著，彈簧稱(chēng)讀數(shù)與對(duì)應(yīng)肌肉的肌力匹配。本模型中，加載肌力大小為咬肌(M)180牛頓、翼內(nèi)肌(MP)190牛頓、顳肌(T)130牛頓、翼外肌(LP)40牛頓。
在此模型的基礎(chǔ)上，采用粘貼電阻應(yīng)變片的測(cè)量方法，進(jìn)一步證明了四組肌肉同時(shí)加載時(shí)與各組肌肉單獨(dú)加載時(shí)下頜骨的應(yīng)力分布是有顯著性差異的。同樣咬合部位對(duì)下頜骨應(yīng)力分布的影響也是非常大的，如單側(cè)后牙咬合時(shí)，該側(cè)下頜骨區(qū)域的應(yīng)力性質(zhì)發(fā)生了改變；進(jìn)一步對(duì)下頜骨骨折后的固定方法進(jìn)行了生物力學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)在簡(jiǎn)化模型(Champy)基礎(chǔ)上得到的僅在下頜骨上緣固定一個(gè)小型接骨板就可達(dá)到穩(wěn)定的理論提出質(zhì)疑，說(shuō)明需在下頜骨下緣附加一小型接骨板才可以提供足夠的穩(wěn)定，從而進(jìn)一步說(shuō)明了建立功能狀態(tài)下下頜骨模型的重要性。
權(quán)利要求1.一種人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包括下頜骨(1)、上頜模型(2)、加載肌力和加載裝置，其特征是下頜骨(1)采用真實(shí)有牙的成人干燥下頜骨，建立有與下頜骨相對(duì)應(yīng)的顳下頜關(guān)節(jié)模型(3)，選擇下頜3個(gè)部位的咬合，分別模擬前牙及雙側(cè)后牙的咬合狀態(tài)以模擬咬合平臺(tái)(4)，下頜骨上選擇的加載肌力為與閉口及咬合運(yùn)動(dòng)有關(guān)的左右側(cè)各四組咀嚼肌共八個(gè)肌向量，四組咀嚼肌分別是咬肌(M)、翼內(nèi)肌(MP)、顳肌(T)和翼外肌(LP)，并在四組肌肉的附著中心點(diǎn)同時(shí)加載。
2.按照權(quán)利要求1所述的人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其特征是上頜模型(2)是采用自凝塑膠制作的與下頜骨相對(duì)應(yīng)的模型。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其特征是顳下頜關(guān)節(jié)模型(3)是采用平均厚度約為2毫米的硅橡膠制作的模型。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停涮卣魇悄M前牙及雙側(cè)后牙咬合狀態(tài)的咬合平臺(tái)(4)選擇下頜雙側(cè)中、側(cè)切牙(C1)、(C2)和(D1)、(D2)，右側(cè)第一、第二磨牙(C6)和(C7)，左側(cè)第一、第二磨牙(D6)和(D7)的咬合。
5.按照權(quán)利要求3所述的人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其特征是模擬前牙及雙側(cè)后牙咬合狀態(tài)的咬合平臺(tái)(4)選擇下頜雙側(cè)中、側(cè)切牙(C1)、(C2)和(D1)、(D2)，右側(cè)第一、第二磨牙(C6)和(C7)，左側(cè)第一、第二磨牙(D6)和(D7)的咬合。
6.按照權(quán)利要求1所述的人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停涮卣魇羌虞d裝置由支架(8)、滑輪機(jī)構(gòu)(6)和砝碼(7)組成，下頜骨、上頜模型、顳下頜關(guān)節(jié)模型的組合體固定在支架上，滑輪機(jī)構(gòu)的數(shù)量與下頜骨上所選擇的加載肌力的數(shù)量相匹配，其滑輪主體安裝在支架上，其拉索的一端與下頜骨上肌肉加載中心點(diǎn)連接，另一端放置砝碼，各砝碼的重量(N)與對(duì)應(yīng)的肌肉的肌力相匹配。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及口腔頜面外科學(xué)中一種人體下頜骨的生物力學(xué)模型。旨在建立一種盡可能接近于功能狀態(tài)下的人體下頜骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。包括下頜骨、上頜模型、顳下頜關(guān)節(jié)模型、咬合平臺(tái)、加載肌力和加載裝置。通過(guò)在下頜骨上同時(shí)模擬咬肌、顳肌、翼內(nèi)肌和翼外肌作用，克服了以往實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化建模的缺陷。本實(shí)用新型首次利用機(jī)械力學(xué)模型比較準(zhǔn)確、客觀、完整地模擬了功能狀態(tài)下的下頜骨，為進(jìn)一步深入研究下頜骨的應(yīng)力分布等生物力學(xué)特性奠定了實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)。同時(shí)，下頜骨的生物力學(xué)特性研究對(duì)頜面部創(chuàng)傷頜面部牙畸形等領(lǐng)域的致病機(jī)制，診療方法，及預(yù)后評(píng)價(jià)具有重要的實(shí)踐意義。
文檔編號(hào)G09B23/28GK2574147SQ0227670
公開(kāi)日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2002年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者田衛(wèi)東, 王杭, 陳孟詩(shī), 李聲偉, 劉磊 申請(qǐng)人:四川大學(xué)